Estrutura de um Sistema Elétrico Fernando Umbria 4 de abril de 2018
Agenda Características gerais e conceitos importantes Fundamentos da operação do sistema elétrico A importância do planejamento setorial As principais fontes de energia e suas características Matriz de energia elétrica brasileira vs. matriz elétrica no mundo A evolução do setor elétrico nos últimos 20 anos
Estrutura básica do sistema elétrico (dez/2017) Mais de 4.900 usinas Capacidade: 157 GW 5.192 Consumidores (874 livres; 4.318 especiais) CONSUMIDOR LIVRE 219 comercializadoras Rede Básica 230 kv 130 mil km em linhas 8 empresas = 80% da RB Rede 138 kv 64 distribuidoras 130 cooperativas de eletrificação rural 81,8 milhões de UC (consumidor cativo)
Lei nº 7.990/89 8.001/90 9.984/00 e 9.993/00 Compensação Financeira Marco Legal do Setor Elétrico Lei nº 9.609/95 c/c 10.192/01 Plano Real Lei Nº 9.478/97 CNPE e Políticas de Energia (Petróleo) Implantação da ANEEL Constituição Federal (art. 175) Lei Nº8.631/93 Início da competição Lei nº8.987/95 Incremento da competição Lei Nº 9.074/95 Reestruturação da Eneriga Elétrica PIE e CLivres Lei Nº 9.427/96 ANEEL Lei Nº 9.648/98 ASMAE e ONS Contratos iniciais e Reestruturação... 1988 1993... 1995 1996 1997 1998 Lei nº 9.784/99 Proced. na Adm. Pública Lei nº 9.991/00 Efic. Energ. Lei nº 9.986/00 RH - Agências Lei nº 10.433/02 MAE GCE MP nº 2.198/01 ago/01 a mar/02 Lei nº 10.438/02 Expansão da Oferta RTE e Leilões Lei nº 10.762/03 Programa Emergencial de Apoio e Leilões 1999 2000 2001 2002 2003 2004... Lei nº 10.847/04 EPE Lei nº 10.848/04 Novo Modelo Lei nº 10.871/04 RH - Agências 2007 Lei nº 10.214/01 Câmaras Comercialização Lei nº 10.295/01 Política Cons. e Uso de Energia Lei nº 10.310/01 Bônus da GCE Lei nº 10.604/02 Empréstimos Baixa Renda e comercialização Lei nº 10.833/03 CCC isol. 2009 Lei nº 11.079/04 PPPs Lei nº 11.488 Criação do REIDI 2009 Lei nº 11.943/09 Participação da União no FGEE Lei nº 12.111/09 Serviços de Energia Sistemas Isolados... 2010 2013 Lei nº 12.212/10 Tarifa Social de Energia Elétrica... Lei nº 12.783/13 2015 2016 Lei nº 13.201/15 Repactuação do risco hidrológico e bonificação de outorga Instrutor: Fernando Renov. Umbria de concessões, redução Curso: Estrutura de e encargos Funcionamento e tarifas de do energia Setor de Energia Elétrica Lei nº 13.280/16 Aplic. Efic. Energ. Lei nº 13.299/16 Alterações diversas Lei nº 13.360/16 Alterações diversas
Instituições do setor elétrico CNPE Conselho Nacional de Política Energética Dec. n O 3520/2000 CMSE Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico Dec. n O 5175/2004 CNPE CMSE MME EPE ANEEL ONS CCEE MME Ministério de Minas e Energia EPE Empresa de Pesquisa Energética Dec. n O 5184/2004 ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico Dec. n O 5081/2004 ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica Lei n O 9427/1996 CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica Dec. n O 5177/2004
Mercado de energia Mercado Regulado ACR e Mercado Livre ACL Energia contratada pelas distribuidoras para o atendimento da demanda dos consumidores cativos. Consumidores acima de 3 MW podem negociar seus contratos de energia diretamente com geradores e comercializadoras no ACL, respeitando a regra de estar 100% lastreado por contratos de energia. - CCEAR* por disponibilidade - CCEAR por Quantidade Contratos resultantes de leilões Contratos livremente negociados - Preço Fixo - Preço Variável CCEAR = Contrato de Comercialização de Energia Elétrica no Ambiente Regulado Fonte: CCEE
Aspectos Gerais Geração (G) Produção de Energia Corresponde de 35 a 50% do custo total do sistema Geradores podem ser acionados por combustíveis diferentes. Há diferença no preço do produto Não há diferença no produto A produção combina diferentes fontes e combustíveis (competição) 7
Aspectos Gerais Transmissão (T) Conexão da Geração com a Carga em alta tensão Corresponde a 5 a 15% do custo total Os sistemas, normalmente, são AC Sobrecarga pode provocar a saída de elementos Necessidade do Operador do Sistema 8
Aspectos Gerais Operador do Sistema (Op) Despacho do sistema em tempo real Decide a entrada e a saída dos geradores Tem que manter usinas operando em vazio (reserva girante) Tem que conhecer (em tempo real) o fluxo em cada linha de transmissão 9
Aspectos Gerais Distribuição (D) Conexão entre a transmissão e o consumidor Corresponde a 30 a 50% dos custos Faz a medição e a cobrança Mesmo sendo fio, tem característica diferente da G e T Gestão da infraestrutura de atendimento bastante complexa (necessidade de grandes redes e atendimento de consumidores com características distintas) 10
Aspectos Gerais Estrutura Tradicional Integração vertical Monopólio legal em área de concessão As empresas podiam ser públicas ou privadas, mas normalmente eram únicas Em alguns casos (como o Brasil), G e T constituíam um único negócio e vendiam energia para as D (normalmente estaduais). 11
Aspectos Gerais Razões para integração vertical Custo de transação T e D são monopólios naturais Coordenação da operação de G e T Coordenação do planejamento de G e T Economia de escala na G As duas primeiras ainda valem A mudança na última incentivou a entrada de novos G (competição) 12
Aspectos Gerais A empresa monopolista deve ser regulada Se for do governo (estatal), o próprio governo define a tarifa Se for privada, um regulador independente determina a tarifa A independência do regulador deve ser tanto da indústria quanto do governo! 13
Aspectos Gerais Para haver competição as funções devem ser separadas Como consequência, as tarifas de cada função também devem ser definidas Cada empresa deve negociar a compra e a venda de energia Com isso ocorre o aumento do custo das transações 14
Verdades Técnicas Eletricidade não pode ser armazenada Geração = Carga a cada instante Os preços podem variar muito nos horários de pico Eletricidade percorre o caminho de menor impedância O consumidor não pode escolher qual o gerador que vai fornecer a sua energia 15
Verdades Técnicas Existem relações físicas complexas que garantem a transmissão da energia Um curto circuito em Bauru pode provocar um blecaute no Brasil inteiro. Eletricidade trafega na velocidade da luz O controle deve ser feito em tempo real 16
Vantagens da operação interligada Maior confiabilidade operativa (< variações tensão e de frequência continuidade) Maior suportabilidade a perturbações rede de maior porte maior inércia Maior flexibilidade para desligamentos programados circuitos alternativos Menor reserva de potência unidades geradoras operando em sincronismo Melhor aproveitamento energético otimização entre bacias hidrográficas otimização hidrotérmica
Desvantagens da operação interligada Necessidades de linhas (investimento) Propagação de distúrbios locais para o SI (sistemas de controle e proteção) Complexidade administrativa (diversos agentes, conflitos de interesses) Complexidade técnica (necessidade de sincronismo, conflitos tecnológicos) Multiplicidade de alternativas de expansão Complexidade nos estudos de operação (variação das cargas, indisponibilidade, limites operativos, requisitos de operação)
SIN Sistema de transmissão
Aspectos Gerais Em um sistema competitivo, o operador precisa ser independente! A operação (ou despacho) é uma atividade técnica que tem um certo grau de subjetividade O operador pode, por exemplo, optar por uma operação mais cara e mais segura Pode também arriscar, em determinadas situações, não atender ao critério de confiabilidade para uma operação mais barata 21
Aspectos Gerais Operação Elétrica do Sistema Assegurar a entrega da energia com as condições reais do sistema (geração e transmissão) Leva em conta a manutenção de equipamentos Leva em conta as contingências do sistema Opera em tempo real 22
Aspectos Gerais Operação Energética do Sistema Decide o combustível (água, gás, petróleo, urânio, etc...) Qual usina hidráulica deve ser despachada? Tem que garantir a operação atual e a demanda futura Dilema: usa água hoje (mais barata) e, se não chover, pode faltar energia elétrica amanhã 23
Despacho hidrotérmico O despacho hidrotérmico ótimo é o que minimiza a soma do custo total = custo imediato + custo futuro (que depende da decisão do custo imediato). A solução ótima não é gerar toda a disponibilidade hidrelétrica logo no primeiro estágio, embora ela tenha custo operativo = zero. Por que? Porque a hidrelétrica pode transportar energia (armazenar água) de um estágio para outro. Portanto, a geração hidro tem um custo de oportunidade
Otimização Eletroenergética
Otimização Eletroenergética FCI Função de Custo Imediato FCF Função de Custo Futuro
Importância do planejamento A carga elétrica cresce com o tempo Se em uma situação a carga elétrica for maior que a possibilidade de geração, o sistema entra em colapso É preciso prever a carga futura para ter capacidade de atendimento É indispensável o PLANEJAMENTO da expansão do SE 27
Importância do planejamento A implantação de uma nova usina é demorada (cinco anos ou mais) Necessidade de avaliar qual serão as fontes primárias de energia Necessidade intensiva de capital Reforçando: é indispensável o PLANEJAMENTO da expansão do SE 28
Objetivos do planejamento Objetivo do planejamento da expansão Alocação temporal (quando) e espacial (onde) das capacidades de geração e transmissão necessárias para atender ao crescimento da demanda ao longo do horizonte de planejamento (curto, médio e longo prazos), de modo a assegurar o atendimento do mercado, dentro de padrões préestabelecidos de qualidade (risco de déficit), a mínimo custo Objetivo do planejamento da operação Determinação de uma estratégia de operação em cada usina que minimize o valor esperado dos custos operativos (combustível/déficit de energia) no período de planejamento 29
Processo de planejamento PLANEJAMENTO DA EXPANSÃO (Estratégico) EPE PLANEJAMENTO DA OPERAÇÃO (Tático) ONS Longo Prazo (> 20 anos) Médio Prazo (10 anos) Planejamento da Operação (5 anos) Programação da Operação (Mensal/Semanal /Diária) Supervisão e Controle (Horária) Avaliação dos Intercâmbios (Pós-operação)
Fontes de energia A energia elétrica é uma fonte secundária de energia não é encontrada na natureza de forma disponível para o consumo Precisa ser obtida a partir da transformação de outras fontes energéticas (renováveis ou não-renováveis)
Energias Renováveis Energia solar Utilização direta Utilização indireta Conversão termo-solar Conversão fotovoltaica Quedas d água Vento Biomassa Ondas do mar Calor dos oceanos (gradiente térmico) Correntes oceânicas Conversão fotoquímica Aquecimento armazenado (bomba de calor) Energia das marés Aproveitam a diferença de nível entre as marés alta e baixa causadas pela força gravitacional da lua e do sol
Energias Não-Renováveis Combustíveis fósseis Turfa Carvão mineral Petróleo Gás natural Xisto betuminoso Areia betuminosa Utilizados em combustão para geração de energia mecânica Combustíveis nucleares Urânio Tório Deutério Lítio Plutônio Utiliza-se a energia das reações nucleares para a geração de energia térmica
Capacidade Instalada (31/12/2017) Tipo Nº de usinas Potência inst. (MW) % Potência média (MW) Usina Hidrelétrica UHE 221 94.662 60,3 428 Pequena Central Hidrelétrica PCH 432 5.020 3,2 12 Central Geradora Hidrelétrica CGH 658 594 0,4 0,9 Total hidrelétricas 1.311 100.276 63,9 76 Gás 167 13.020 8,3 78 Biomassa 550 14.561 9,3 26 Petróleo 2.268 10.173 6,5 5 Carvão Mineral 26 3.727 2,3 143 Outros 1 147 0,1 147 Total termelétricas 3.012 41.628 26,5 14 Usina Termonuclear UTN 2 1.990 1,3 995 Usina Eólica EOL 501 12.283 7,8 25 Usina Fotovoltaica UFV 81 935 0,5 12 TOTAL 4.907 157.112 100 32 Como oferta de energia elétrica, há, ainda, as importações que totalizam 8.170 MW: Paraguai (5.650 MW), Argentina (2.250 MW), Venezuela (200 MW) e Uruguai (70 MW) Fonte: ANEEL
Capacidade Instalada (31/12/2017) Nucleares 1,3% Eólicas 7,8% Fotovoltaicas 0,5% Carvão 2,3% Outros 0,1% UTN 1,3% EOL 7,8% UFV 0,5% Petróleo 6,5% Térmicas 26,5% Biomassa 9,3% Hidrelétricas 63,9% Gás 8,3% UHE 60,3% CGH 0,4% PCH 3,2% Fonte: ANEEL
Matriz Brasileira x Matriz Mundo
Matriz Brasileira x Matriz Mundo
Geração por Fonte
Evolução da capacidade instalada no Brasil Capacidade Instalada 160.000 140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 Fonte: EPE, Aneel 0 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Usinas Hidrelétricas PCH CGH Usinas Eólicas Solar Usinas Termelétricas Usinas Nucleares 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Total 102.949 110.444 116.383 117.136 120.974 126.743 133.913 140.858 150.338 157.112 Usinas Hidrelétricas 74.901 76.781 78.610 78.347 79.956 81.132 84.095 86.366 91.499 94.662 Usinas Termelétricas 22.999 27.481 30.784 31.243 32.778 36.528 37.827 39.564 41.275 41.628 PCH 2.490 3.400 3.868 3.896 4.101 4.620 4.790 4.886 4.941 5.020 CGH 154 173 185 216 236 266 308 398 484 594 Usinas Nucleares 2.007 2.007 2.007 2.007 2.007 1.990 1.990 1.990 1.990 1.990 Usinas Eólicas 398 Instrutor: 602 Fernando 928 Umbria 1.426 1.894 2.202 4.888 7.633 10.124 12.283 Solar 0 Curso: 0Estrutura 1e Funcionamento 1 do 2 Setor de 5Energia 15 Elétrica 21 24 935
Evolução da capacidade instalada (PDE 2026) LPS Fonte: EPE
Evolução da capacidade instalada Participação das fontes LPS Fonte: EPE
Produção de energia elétrica no Brasil 0,5% 0,9% 1,2% 2,1% 3,7% 5,8% 17,6% 23,0% 29,4% 34,5% 35,8% 31,8% 80,6% 75,2% 68,5% 63,2% 61,9% 65,8% Fonte: EPE * Preliminar
Produção de energia elétrica no Brasil Proporção de geração hidráulica 94% 89% 91% 92% 89% 92% 92% 93% 89% 93% 89% 91% 86% 79% 73% 71% 73% 70%
LPS Estoque de água no SIN A capacidade de estocar água nos reservatórios tem crescido em velocidade menor que o crescimento da carga (impossibilidade de se implantar usinas com grandes reservatórios). O crescimento da carga após o racionamento 2001/2002 foi de 74%. A evolução do consumo seguiu sua tendência histórica, exceto nos momentos de crise econômica. Atualmente se observa uma acentuação das variações sazonais. Já o crescimento da capacidade máxima de armazenamento foi de apenas 23% no mesmo período.
LPS Estoque de água no SIN
Aumento da amplitude de uso dos reservatórios LPS A redução da capacidade de armazenamento tem provocado um uso mais intenso dos reservatórios. Além disso, há sinais de que pode estar havendo um uso mais acentuado dos usos consuntivos (abastecimento e irrigação) em importantes bacias do país e de que a operação hidrelétrica está menos eficiente. A ocorrência de hidrologia adversa (mesmo em períodos mais curtos) passa a ter efeitos muito mais severos no futuro. Mas porque não geramos mais a partir das termelétricas?
LPS Geração termelétrica Em 2014 e 2015, o ONS despachou todas as térmicas disponíveis em algumas situações, porém, o parque termelétrico no Brasil não é adequado para geração por longos períodos Resultado: Forte impacto sobre o Custo Marginal de Operação Máx. CMO: 2013: 555 R$/MWh 2014: 1.778 R$/MWh 2015: 2.159 R$/MWh 2016: 477 R$/MWh 2017: 860 R$/MWh
OBRIGADO Fernando Umbria umbria.lps@gmail.com 61 98463-3137